Si/SiO_2系高密度量子ドット形成法に関する研究

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これまでバルクSi基板を用いて検討を行ってきた高密度かつ微細なSiピラー形成法を、lOnm程度の薄い単結晶Si層が埋め込みSiO_2層上に乗った構造の基板(SOI)に適用して、同一の単結晶性をもつSiドットを実現した。この形成法は、真空中でSi表面をわずかに熱窒化することにより微小なSiN核を自然形成し、これが熱酸化のマスクとして機能することを利用する独自の方法である。ドット形成のための熱酸化は、1気圧の酸素を用いた通常のSiO_2膜成長モード酸化と低分圧酸素によってSiのエッチング反応を引き起こすエッチングモード酸化があるが、ここでは途中過程をモニターしやすいエッチングモード酸化を用い、XPSおよびAFM測定を行った。得られた結果を要約すると以下のとおりである。1. Siドットの面内寸法とドット間隔は、ほぼマスクとして利用するSiN核で決まり、高さはSOI基板の上部Si層厚で決まる。2. 選択エッチングが進行して、Si層が繋がった状態からドットとして相互に分離された状態に切り替わるときに、Si-2pスペクトルは突然高結合エネルギー側にシフトする。これは、露出した埋め込み酸化膜表面がX線で励起された光電子の放出により帯電することによると思われドット形成の良い目安となる。さらに、光デバイスへの応用を目指して電子のトンネルが可能な2〜3nm厚さの極薄埋め込み酸化膜を持つSOI基板を自作し、C-V特性から電子や正孔が埋め込み酸化膜をトンネルすることを実証した。現在、この基板を用いてSiドットを形成するとともにドットへの電子注入をC-V測定を通して調べている段階である。